Практическое занятие 4 Основные приемы модификации и препарирования наноразмерных структур с применением ионного пучка

Система с фокусированным ионным пучком (ФИП) – универсальный прибор, позволяющий решать широкий спектр задач таких, как визуализация поверхности, получение прецизионного сечения поверхности, изготовление наноразмерных структур, деталей микромеханики, диагностика и модификация интегральных микросхем, приготовление образцов просвечивающей электронной микроскопии и т.д.

Основные функции систем с фокусированным ионным пучком

В основе всех операций, выполняемых фокусированным ионным пучком, лежат три базисные функции: визуализация, травление и осаждение материала. Возможность визуализации поверхности образца обусловлена взаимодействием падающих ионов галлия, обладающих высокой энергией, с атомами образца, в результате чего, возникают вторичные электроны, улавливаемые детектором. Их количество в основном зависит от угла падения ионов галлия к поверхности образца и материала, с которым происходит взаимодействие. Это позволяет выявлять не только особенности рельефа, но и различать один материал от другого.

Другим эффектом, возникающим при взаимодействии ионов галлия с атомами образца, является передача последним кинетической энергии и, как следствие, выбивание их с поверхности. В результате происходит травление материала в точке падения фокусированного ионного пучка. При сканировании ионным пучком по некоторому участку поверхности осуществляется постепенное травление данного участка. Чем большее число проходов осуществляет ионный пучок и дольше задерживается в каждой точке, тем существеннее травится материал. Программное обеспечение систем с фокусированным ионным пучком позволяет задавать область сканирования при помощи шаблонов. Например, в FEI FIB 200 имеются шаблоны, обеспечивающие сканирование ионным пучком по прямоугольной области, периметру прямоугольника, линии, тору, внутренней области многоугольника. Кроме указанных, существуют шаблоны, предназначенные для достижения специфических целей. К ним, например, относятся шаблоны формирования и чистки поперечного сечения, изображение которого необходимо получить. При этом сканирование ионным пучком осуществляется по прямоугольной области, но количество проходов ионным пучком уменьшается от одной стороны прямоугольника к противоположной. Поэтому количество распыляемого материала по сравнению с обычным травлением по прямоугольной области уменьшается вдвое, в результате чего, время процедуры сокращается. Для удаления со стенки вытравленной ямки вторично осевшего материала используется шаблон чистки поперечного сечения, обеспечивающий послойное стравливание материала и исключающий осаждение материала на обрабатываемую поверхность. Шаблоны, ограничивающие участок сканирования фокусированным ионным пучком, используются не только при прямом распылении материала, но и при травлении в химически активной среде, а также при осаждении из газовой фазы.

Травление с использованием химически активных газов всегда быстрее, чем прямое распыление материала ионным пучком. Распыляемый ионным пучком материал химически связывается и удаляется из рабочей камеры. Поэтому вторичное осаждение материала на поверхность образца частично или полностью прекращается, стенки травимых ямок приобретают вертикальность, а аспектное отношение максимальной глубины травления к размерам шаблона повышается.

При травлении с использованием химически активных газов целесообразно применять апертуры, ограничивающие фокусированный ионный пучок до небольших величин. В таком случае химический механизм локального травления является доминирующим, а физическое распыление материала менее выражено. Это особенно важно, когда используются селективные свойства травления в химически активной среде. Как правило, применяется селективное травление металлов по отношению к оксидам, либо оксидов по отношению к металлам. Сравнение скоростей травления в различных средах материалов, используемых в интегральных микросхемах, со скоростями травления при физическом распылении материала ионным пучком приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Отношения скоростей травления материалов в химически активной среде к скоростям травления при распылении ионным пучком.

Газ\Мат.	Si	SiO2	Al	W	GaAs	InP	ПММА
Cl2	7-10	1	7-10	1	50	4	-
Br2	5-6	1	8-16	1	-	-	-
I2	5-10	1	5-15	-	-	11-13	2
XeF2	7-12	7-10	1	7-10	-	-	4
H2O	0,05-0,1	0,1-0,15	0,02-0,05	-	-	-	18

Осаждение материалов, индуцированное фокусированным ионным пучком, предоставляет возможность локального напыления необходимых материалов на поверхности большинства твердых тел. Точность получения структур очень высокая и достигает нанометров. Осаждение под действие ионного пучка обычно используется для формирования проводников и изоляции при модификации интегральных микросхем, для маскирования или защиты поверхности образцов при травлении поперечного сечения, при приготовлении образцов просвечивающей электронной микроскопии и др.

В качестве источника осаждаемого при помощи ионного пучка материала служат соединения, обладающие двумя важными особенностями. Они должны обладать адгезионными свойствами, достаточными, чтобы в нужном количестве скапливаться на интересующей поверхности. А при бомбардировке ионами высокой энергии они должны разлагаться с образованием осаждаемого материала быстрее, чем стравливаться под действием ионного пучка.

В настоящее время в качестве источников осаждаемого материала используются: для осаждения W – гексакарбонил вольфрама W(CO)₆, Pt – триметил-метилциклопентадиэнил платины (CH₃)₃(CH₃C₅H₄)Pt, Al –триметиламин алана (ТМАА) (CH₃)₃NAlH₃, SiO₂ – O₂ и тетраэтоксисилан (ТЭОС), SiO₂ – O₂ и тетраметоксисилан (ТМОС), С – фенантрен. Следует отметить, что при осаждении металлов исходные соединения могут разлагаться не до конца, а оставаться в виде примесей. Например, при осаждении вольфрама содержание элементов W, C, Ga, O соотносится, как 75:10:10:5, а при осаждении платины Pt:C:Ga:O=54:24:28:3. Примесь в данном случае играет отрицательную роль, увеличивая сопротивление материала. Например, если сопротивление вольфрамовой пленки, осажденной под действием ионного пучка, составляет 250 мкмОмсм, то сопротивление пленки из чистого вольфрама – 5,5 мкмОмсм. Тем не менее, такое сопротивление является приемлемым для интегральных микросхем.

При осаждении материалов под действием фокусированного ионного пучка протекают два конкурирующих процесса – осаждение материала и его травление ионным пучком. При низких токах пучка (1-4 пА) травление почти не наблюдается, но осаждение происходит медленно, т.к. активируется не весь газ, подводимый к поверхности образца. А при больших токах (150 пА и более) материал травится быстрее, чем осаждается. Существует оптимальная величина тока, при которой осаждение происходит с максимальной эффективностью и скоростью. Для установки FEI FIB 200 она составляется 11 пА.

Диагностика и модификация интегральных микросхем

Благодаря описанным выше методикам фокусированные ионные пучки широко применяются при исследовании образцов, строение которых невозможно понять по морфологии поверхности. К классу таких образцов зачастую относятся интегральные микросхемы. Их своевременная диагностика очень важна для микроэлектронной промышленности.

Наиболее простым и часто используемым разрушающим способом диагностики микроэлектронных структур при помощи фокусированного ионного пучка является получение и визуализация во вторичных электронах ее поперечного сечения (рисунок 1). Для этого вертикально вглубь образца вытравливается ямка, одна из стенок которой дополнительно чистится от вторично осажденного материала. Наклонив образец, изображение подчищенной стенки фиксируется. Если необходимо защитить поверхность образца от растравливания ионным пучком, то предварительно осаждается тонкий слой металла (Pt, W).

Рисунок 1 – Изображение во вторичных электронах дефекта металлической площадки

Внесение изменений в электрические цепи интегральных микросхем проводится чередованием простейших операций травления и осаждения. При необходимости селективного травления металла или диэлектрика, либо осаждения различных материалов, используется соответствующий газ. Для соединения двух элементов разводки микросхемы, как правило, используется осаждение платиновой или вольфрамовой дорожек, а для разрыва проводника используется селективное травление в парах йода. При осаждении проводящих дорожек близко друг к другу из-за вторичного осаждения материала они спаиваются, в результате чего между ними возникает электрический контакт. Чтобы избежать описанного эффекта, проводится дополнительное травление участка между дорожками.

Использование фокусированного ионного пучка при создании трехмерных наноструктур

Создание структур путём вытравливания или осаждения ионным пучком позволяет пользователю получать трёхмерные объекты, которые не могут быть изготовлены при помощи существующих технологий, а в сочетании с графическими файлами двумерных изображений им можно придать весьма сложную форму. На рисунке 2 показан процесс создания платинового наконечника зонда с помощью фокусированного ионного пучка. Обратите внимание, что эффективный радиус наконечника меньше 45 нм.

Рисунок 2 – Изготовление нанозонда из платины, осажденной с помощью ФИП на монокристалл кремния

На рисунке 3 иллюстрируется структура фотонного устройства на основе GaP. При формировании устройства использован комплекс ФИП технологий: поочередное осаждение слоя InP толщиной в 1 мкм посредством ионно-стимулированной эпитаксии, напыление SiO₂ толщиной 700 нм, травление щелей в

SiO₂, осаждение слоя InGaAsP толщиной 50 нм, напыление слоя Pt толщиной 30 нм и травление круглых каналов, с фиксированным размером 158 нм и межканальным расстоянием в 120 нм.

Структуры подобного типа могут быть созданы только в рамках ФИП технологии. Как видно из рисунка каналы (щели) должны проходить сквозь слои разного состава, сохраняя при этом прецизионные размеры. Обеспечить точность совмещения каналов в единицы нанометра при получении каналов заданного размера в слоях из разных веществ другие современные технологии не могут. Сформировать все слои, например, методами напыления и эпитаксиальных процессов, а на завершающем этапе осуществить травление, невозможно даже методами безмасочной ионной литографии.

Изображения во вторичных электронах фотонного устройства: а – вид сверху на часть кристалла, с поверхности методами ФИП удалён слой металла, а в центральной части создан разрез для демонстрации глубинных слоев; б – поперечный разрез, отвечающий стадии травления SiO₂ маскирующего слоя

Рисунок 3 – Использование ФИП технологий для формирования фотонного устройства

Единственный возможный способ – это выбрать точку с координатами x=0, y=0, z=0, последовательно формировать каждый слой со всеми его морфологическими особенностями, регистрируя в памяти компьютера координаты деталей этого слоя в заданной системе координат и при переходе к следующему слою осуществлять его формирование в соответствии с зарегистрированными записями. При подобном подходе адекватность результирующей структуры зависит только от того, насколько отработан каждый этап.

Существует программное обеспечение, позволяющее задавать травление (осаждение) под действием фокусированного ионного пучка в соответствие с графическими файлами. Координаты пиксела определяют положение ионного пучка, а степень перекрытия соседних пикселов контролируется путём регулировки его размера. Величина интенсивности пиксела может быть поставлена в соответствие времени травления или гашения луча в данной позиции. На рисунке 4 показан пример «фрезерования» трёхмерной структуры методом ФИП по данной методике. Справа приведено исходное двумерное изображение. На рисунке легко прослеживается соответствие между интенсивностями пикселов в черно-белой шкале и временем распыления структуры в соответствующих точках: пикселам с интенсивностью 255 (белый цвет) соответствует самое большое время распыления, а пикселам с интенсивностью 0 (чёрный цвет) – отключение пучка, в результате чего эти области образца вообще не травились ионным пучком.

На рисунке 5 показан результат применения техники ионно-индуцированного осаждения для создания трёхмерной структуры из двумерного изображения подобно тому, как это описано выше для травления ионным пучком. Примеры других устройств, полученных с применением ионного пучка, показаны на рисунке 6.

Рисунок 4 – Использование техники ФИП для получения трёхмерной структуры из двумерного изображения

Рисунок 5 – Изображение трёхмерной платиновой структуры, сформированной из двумерного изображения, показанного на врезке снизу

а - Дифракционная линза для УФ излучения; б - лазер на основе брэгговской интерференции; в - шестерня для МЭМ устройства

Рисунок 6 - устройства, созданные посредством ионного пучка

Применение in-situ наноманипуляторов в наноинженерии

Под термином «наноманипулятор» обычно понимают любое электромеханическое устройство, используемое для позиционирования концевого эффектора с разрешением лучше, чем 100 нм. К задачам, решаемым при помощи наноманипуляторов, например, относятся in-situ позиционирование объектов с нанометровой точностью, приготовление тонких фольг для просвечивающей электронной микроскопии и in-situ электрическое зондирование, в том числе, проверка электрических свойств интегральных микросхем.

В настоящий момент на рынке представлены манипуляторы нескольких компаний. Корпорация Zyvex (США) производит наноманипуляторы S100 для применения в РЭМ, ионных и оптических микроскопах (рисунок 7а). В нём для позиционирования используются Декартовы координаты. Микроманипулятор MM3A фирмы Kleindieck (Германия), напротив, использует вращательное перемещение и цилиндрическую систему координат (рисунок 7б).

а) б)

а) Zyvex S100; б) Kleindieck MM3A

Рисунок 7 – Примеры наноманипуляторов

В качестве концевого эффектора в микроманипуляторе Kleindieck MM3A используется вольфрамовая игла, радиус закругления острия которой составляет сотни нанометров и может корректироваться ионным пучком. Пьезоэлектрические приводы микроманипулятора осуществляют передвижение иглы по трем осям: выдвигание-задвигание, поднимание-опускание, поворот влева-вправо. Они состоят из статора (пьезоэлектрического кристалла) и бегунка. Бегунок касается статора и держится на силе трения. Статор расширяется или сжимается под действием электрического напряжения, в результате чего происходит передвижение в одном из двух режимов: грубом и точном.

Точный режим используется для управления микроманипулятором, когда нужно плавное прецизионное перемещение иглы. Передвижение в этом случае осуществляется посредством смещения статора напряжением от -80 В до +80 В. Цифро-аналоговый преобразователь микроманипулятора позволяет разбить этот диапазон на 4096 шагов. Это соответствует величине шагов по линейной оси (выдвигание-задвигание) ~0,25 нм и диапазону перемещения иглы ~1 мкм, а по осям вращения (поднимание-опускание и поворот влево-вправо) - ~5 нм с диапазоном перемещения ~20 мкм. При грубом режиме бегунок ускоряется под действием силы, которая меньше предельной силы трения. А статор быстро изменяет направление движения на противоположное так, что бегунок не может следовать за ним и остается в передвинутом положении. Таким образом, можно осуществлять передвижение в каждом направлении без ограничения характеристиками пьезоэлектрического материала.

Приготовление тонких фольг при помощи фокусированного ионного пучка методом in-situ lift-out

Приготовление образцов - важный и ответственный этап, с которого начинается подготовка к работе на электронном микроскопе. Образец для наблюдения в ПЭМ представляет собой тонкую, менее 100 нм толщиной, пластинку (фольгу), изготовленную из подлежащего исследованию материала.

В числе прочих методов приготовления тонких фольг в ФИП наиболее распространен так называемый in-situ lift-out метод. Его суть заключается в вытравливании фокусированным ионным пучком на поверхности подложки двух ямок микронных размеров с тонкой перегородкой между ними, которая вырезается и переносится микроманипулятором на предметную сетку.

При небольшом (11 пА) токе ионов проводится поиск участка подложки, электронно-микроскопический образец поперечного сечения которого необходимо приготовить, на его поверхность осаждается полоска платины длиной 8 мкм, шириной 0,5 мкм и высотой 0,5 мкм. Выше и ниже нее при токе пучка, достаточном для травления (1000 пА), вытравливаются две ямки длиной 10 мкм, шириной 5 мкм и глубиной 5 мкм так, чтобы между ними образовалась перегородка толщиной 1 мкм. Затем, она утоняется с обеих сторон до толщины 0,5 мкм в режиме послойного стравливания с поправкой на угол 2°. Под углом 45° снизу и по бокам перегородка вытравливается насквозь, оставляются лишь небольшие фиксирующие перемычки (рисунок 8а). Последующая работа осуществляется при небольшом токе пучка. При угле наклона 30° к получившейся тонкой пластинке микроманипулятором подводится вольфрамовая игла и припаивается к ней платиной. Фиксирующие перемычки стравливаются, а образец извлекается из подложки (рисунок 8б) и переносится к предметной сетке, плавно подводится к ней и припаивается платиной. Место спая пластинки с иглой разрезается, и игла отводится (рисунок 8в). Финальное утонение проводится под скользящим углом к боковой поверхности пластинки с постепенным понижением тока пучка (150, 90 и 11 пА) в режиме послойного стравливания до образования тонкой фольги толщиной менее 100 нм. В результате описанной процедуры приготовления электронно-микроскопического образца поперечного сечения получается тонкая фольга с размерами 8х4 мкм и толщиной ~100 нм, закрепленная на предметной сетке (рисунок 8г).

а - Поверхность подложки с двумя ямками и перегородкой между ними; в - образец после припаивания к игле и “разрезания” перемычек; г - образец после припаивания к медной сетке и “разрезания” места спая с иглой; д - образец после финального утонения

Рисунок 8 - Изображения, полученные на различных этапах приготовления тонкой фольги транзисторной структуры методом in-situ lift-out

Контрольные вопросы

1. Назовите области применения систем с фокусированным ионным пучком.

2. Назовите основные функции, выполняемые системами с фокусированным ионным пучком.

3. Какие газы используются для селективного травления алюминия по отношению к оксиду кремния?

4. Какой ток ионного пучка оптимален при травлении фокусированным ионным пучком в парах йода?

5. Какой ток ионного пучка оптимален при осаждении платины?

6. Назовите основные этапы приготовления тонкой фольги при помощи фокусированного ионного пучка методом in-situ lift-out.

Рекомендуемая литература

1. Lucille A. Giannuzzi L.A., Stevie F.A. Introduction to focused ion beams: instrumentation, theory, techniques, and practice. N.Y.: Springer, 2004.

2. Ayache J., Beaunier L., Boumendil J., et al. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy Techniques. N.Y.: Springer, 2010.

53